计算机系统结构随书ppt清华大学出本社.ppt

第三章 存储系统,现代计算机系统都以存储器为中心 在计算机运行过程中，存储器是各种信息存储和交换的中心 3.1 存储系统原理 3.2 虚拟存储器 3.3 高速缓冲存储器 (Cache) 3.4 三级存储系统,3.1 存储系统原理 什么是存储系统(存储体系、存储器层次) 为什么研究存储系统？ 存储系统的性能指标如何表示？ 如何构成存储系统？ 3.1.1 存储系统的定义 3.1.2 存储器的层次结构 3.1.3 存储器的频带平衡 3.1.4 并行存储器,3.1.1 存储系统的定义,1、存储系统(存储体系、存储层次)的定义 2、存储系统的容量 3、存储系统的单位容量平均价格 4、存储系统的速度 5、采用预取技术提高命中率,3.1.1 存储系统的定义 在一台计算机中，通常有多种存储器 种类：主存储器、Cache、通用寄存器、先行缓冲存储器、磁盘存储器、磁带存储器、光盘存储器等 材料工艺：ECL、TTL、MOS、磁表面、激光，SRAM，DRAM 访问方式：直接译码、先进先出、随机访问、相联访问、块传送、文件组,存储器的主要性能：速度、容量、价格 速度用存储器的访问周期、读出时间、频带宽度等表示 容量用字节B、千字节KB、兆字节MB和千兆字节GB等单位表示 价格用单位容量的价格表示，如$/bit 存储系统的关键是如何组织好速度、容量和价格均不相同的存储器，使这个存储器的速度接近速度最快的那个存储器，存储容量与容量最大的那个存储器相等，单位容量的价格接近最便宜的那个存储器。,1、存储系统(存储体系、存储层次)的定义 两个或两个以上速度、容量和价格各不相同的存储器用硬件、软件、或软件与硬件相结合的方法连接起来成为一个存储系统。这个系统对应用程序员透明，并且，从应用程序员看，它是一个存储器，这个存储器的速度接近速度最快的那个存储器，存储容量与容量最大的那个存储器相等，单位容量的价格接近最便宜的那个存储器。,M1 (T1, S1, C1),从外部看：,M2 (T2, S2, C2),Mn (Tn, Sn, Cn),Tmin(T1, T2, , Tn), 用存储周期表示 S = max(S1, S2, , Sn), 用MB或GB表示 Cmin(C1, C2, , Cn), 用每位的价格表示,在一般计算机系统中主要有两种存储系统 Cache存储系统：由Cache和主存储器构成 主要目的：提高存储器速度 虚拟存储系统：由主存储器和磁盘存储器构成 主要目的：扩大存储器容量,Cache,Cache存储系统,主存储器,从系统程序员的角度看， 速度接近Cache的速度 存储容量是主存的容量 每位价格接近主存储器,2、存储系统的容量 要求： 能提供尽可能大、能随机访问的地址空间。Cache 存储系统的容量等于M2存储器的容量 虚拟存储系统的容量比M2的容量大,主存储器,虚拟存储系统,磁盘存储器,从应用程序员的角度看， 速度接近主存储器的速度 存储容量是虚拟地址空间 每位价格接近磁盘存储器,方法有两种： 只对M2存储器进行编址，M1存储器只在内部编址 另外设计一个容量很大的逻辑地址空间 3、存储系统的单位容量平均价格 计算公式： S2S1时, CC2, 但 S2与S1不能相差太大,M1 (S1, C1 , T1),M2 (S2, C2 , T2),4、存储系统的速度 表示方法：T-访问周期、存取周期、存储周期、存取时间、读出时间等 命中率定义：在M1存储器中访问到的概率 N1: M1的访问次数 N2: M2的访问次数 访问周期与命中率的关系： THT1(1H)T2 当命中率H1时，TT1,存储系统的访问效率： 存储系统的访问效率主要与命中率和两级存储器的速度之比有关 例3.1： 假设T2=5T1，在命中率H为0.9和0.99两种情况下，分别计算存储系统的访问效率。 解： 当H=0.9时, e1=1/(0.9+5(10.9)=0.72,当H=0.99时, e2=1/(0.99=5(10.99)=0.96 提高存储系统速度的两条途径： 一是提高命中率H 二是两个存储器的速度不要相差太大 其中第二条有时做不到(如虚拟存储器)，主要依靠提高命中率 例3.2： 在虚拟存储系统中，两级存储器的速度相差特别悬殊T2=105T。如果要使访问效率e=0.9，问需要有多高的命中率？,解： 得: H=0.999998888877777.0.999999 5、采用预取技术提高命中率 方法：不命中时，把M2存储器中相邻几个单元组成的一个数据块都取出来送入M1存储器中。 计算公式：,0.9H+90000(1H)=1 89999.1H=89999,其中：H是采用预取技术后的命中率；H是原来的命中率；n为数据块大小与数据重复使用次数的乘积,证明： 采用预取技术之后，不命中率降低n倍： 例3.3： 在一个Cache存储系统中，当Cache的块大小为一个字时，命中率H=0.8；假设数据的重复利用率为5，计算块大小为个字时，Cache存储系统的命中率是多少？假设T2=5T1，分别计算访问效率。 解： n=45=20, 采用预取技术后, 命中率提高到：,Cache块为1个字大时, H=0.8, 访问效率为: Cache块为4个字大时, H=0.99, 访问效率为: 例3.4： 在一个虚拟存储系统中，T2105 T，原来的命中率只有0.8，如果访问磁盘存储器的数据块大小为4K字，并要求访问效率不低于0.9，计算数据在主存储器中的重复利用率至少为多少？,解： 假设数据在主存储器中的重复利用率为m，根据前面的给出关系： 解方程组得m=44，即数据在主存储器中的重复利用率至少为44次。,3.1.2 存储器的层次结构 多个层次的存储器： Register Files Buffers(Lookahead) Cache Main Memory Online Storage Off-line Storage 如下页图所示，如果用I表示层数，则有： 工作速度：TiTi+1 存储容量：SiSi+1 单位价格：CiCi+1,访问速度越来越快,每位的价格越来越便宜 存储容量越来越大,CPU 内部,各级存储器的主要性能特性,存储器层次,通用寄存器,缓冲栈,Cache,存储周期, 10ns, 10ns,10 - 60ns,存储容量, 512B, 512B,8K-2MB,价格$c/KB,1200,80,3.2,访问方式,直接译码,先进先出,相联访问,材料工艺,ECL,ECL,SRAM,分配管理,编译器分配,硬件调度,硬件调度,带宽,400-8000,400-1200,200-800,各级存储器的主要性能特性,存储器层次,磁盘存储器,主存储器,存储周期,10 - 30ms,60-300ns,存储容量,1G-1TB,32M-1GB,价格$c/KB,0.01,0.36,访问方式,块访问,随机访问,材料工艺,磁表面,DRAM,分配管理,系统/用户,操作系统,带宽,10-100,80-160,脱机存储器,2 - 20 min,5G-10TB,0.0001,文件组,磁、光等,系统/用户,0.2 - 0.6,CPU与主存储器的速度差距越来越大 1955年，第一台大型机IBM704，CPU和主存储器的工作周期均为12微秒，目前，CPU的工作速度提高了4个数量级以上，主存储器的工作速度仅提高两个数量级。 今后，CPU与主存储器的速度差距会更大 研究存储系统的目的就是要找出解决这一问题的办法。,3.1.3 频带平衡 计算机中各级存储器频带应该达到平衡 例如: 一台速度为1GIPS的计算机系统（每秒10亿条指令）, 主存储器的各种访问源的频带宽度如下： CPU取指令: 1000MW/s CPU取操作数和保存运算结果：2000MW/s 各种输入输出设备访问存储器：50MW/s 三项相加，要求存储器的频带宽度不低于3050MW/s, 访问周期不大于0.33ns, 实际上目前主存储器的工作周期为几十ns, 两者相差100倍左右。,解决存储器频带平衡方法 (1) 多个存储器并行工作（本节以下讨论） (2) 设置各种缓冲存储器（第五章） (3) 采用存储系统，特别是Cache存储 系统（本章下两节讨论） 3.1.4 并行存储器 主要内容： 并行访问存储器 交叉访问存储器（两种）,1、并行访问存储器 方法：把m字w位的存储器改变成为m/n字nw位的存储器,逻辑实现：,把地址码分成两个部分，一部分作为存储器的地址，另一部分负责选择数据 主要缺点：访问冲突大 (1) 取指令冲突顺序和转移 (2) 读操作数冲突操作数不在一起 (3) 写数据冲突需要凑齐一起写 (4) 读写冲突不可能同时读写,2、高位交叉访问存储器 主要目的：扩大存储器容量 实现方法：用地址码的高位区分存储体号 参数计算方法： m：每个存储体的容量 n：总共的存储体个数 j：存储体的体内地址，j=0, 1, 2, , m-1 k：存储体的体号，k=0, 1, 2, , n-1 存储器的地址：A=mkj 存储器的体内地址：Aj=A mod m 存储器的体号： Ak向下取整 A/m ,MBR,存储体0,MAR,MBR,存储体n-1,MAR,MBR,存储体1,MAR,译码器,（高位）,存储器地址寄存器（低位）,3、低位交叉访问存储器 主要目的：提高存储器访问速度 实现方法：用地址码的低位区分存储体号 参数计算方法： 存储器地址A的计算公式为：A=nj+k 存储器的体内地址：Aj=向下取整A/n 存储器的体号：Ak=A mod n 地址的编码方法： 由8个存储体构成的主存储器的低位交叉编址方式,MBR,存储体0,MAR,MBR,存储体n-1,MAR,MBR,存储体1,MAR,存储器地址寄存器（高位）,译码器,（低位）,8个模块（竖）,块内地址不连续,低位交叉访问存储器示意图,n